徐州市駱馬湖水源地及第二地面水廠工程設(shè)計(jì)分析

王雄 吳瓊 黃興

中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北 武漢 430010

徐州以微山湖為地表水源，無(wú)論是水質(zhì)還是水量都不能得到有效保障，且水源單一，近年來(lái)多次發(fā)生水質(zhì)污染事故，使徐州市城市供水安全可靠性受到極大威脅，且境內(nèi)地下水超采嚴(yán)重。結(jié)合區(qū)域供水規(guī)劃，徐州市將駱馬湖作為第二水源地，地下水作備用水源。

1 工程總體方案

徐州市駱馬湖水源地及第二地面水廠工程主要包括取水口、引水管、取水泵站、原水輸水管線、中途加壓泵站和第二地面水廠建設(shè)。取水口及引水管按140萬(wàn)m3/d規(guī)模實(shí)施；取水泵房及原水輸水管線規(guī)模80萬(wàn)m3/d；加壓站規(guī)模70萬(wàn)m3/d。

原水輸水管從取水泵站至加壓泵站輸水規(guī)模80萬(wàn)m3/d，采用2根DN2000球墨鑄鐵管，單管長(zhǎng)度約為28.4km；加壓泵站至第二地面水廠輸水規(guī)模60萬(wàn)m3/d，采用2 根DN1800球墨鑄鐵管，單管長(zhǎng)度約為35.6km，第二地面水廠至解臺(tái)泵站輸水規(guī)模20萬(wàn)m3/d，采用1根DN1600球墨鑄鐵管，單管長(zhǎng)度約為13.1km。

2 設(shè)計(jì)體會(huì)

2.1 管道水頭損失計(jì)算

2.1.1 沿程水頭損失計(jì)算公式的選用

由于國(guó)內(nèi)還缺乏球墨鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，一般采用舍維列夫公式計(jì)算管線的水頭損失高于實(shí)際值，所選水泵揚(yáng)程偏高，導(dǎo)致水泵運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重偏離最佳工況點(diǎn)，水泵運(yùn)行效率在最佳運(yùn)行區(qū)間范圍內(nèi)外，造成能源浪費(fèi)。

給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第一冊(cè)《常用資料》里的水力計(jì)算表數(shù)據(jù)，適用于舊鋼管和舊鑄鐵管，水頭損失偏大?，F(xiàn)在球墨鑄鐵管制造工藝比較成熟，內(nèi)防腐采用離心涂覆的水泥砂漿保護(hù)層，內(nèi)壁非常均勻、光滑。水頭損失計(jì)算公式可采用舍齊公式和曼寧公式：

粗糙系數(shù)n，運(yùn)行初期可取0.011～0.0115，遠(yuǎn)期可取0.012

2.1.2 局部水頭損失計(jì)算

長(zhǎng)距離輸水工程管道局部水頭損失和管中水流態(tài)有關(guān)[1]?！妒彝饨o水設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.3條文說(shuō)明，管道局部水頭損失可按沿程損失的5～10%估算。這種取值方式是在管道比較順暢條件下的數(shù)據(jù)。管道實(shí)際布置情況比較復(fù)雜。在管道平縱斷面完成后將所有彎頭、閥門、三通等阻力系數(shù)統(tǒng)計(jì)起來(lái)，再確定管道局部水頭損失，是更加準(zhǔn)確的計(jì)算方法。經(jīng)統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目局部損失達(dá)到沿程損失的25%。

2.2 取水頭部型式選擇

本項(xiàng)目取水口處深水區(qū)距岸邊較遠(yuǎn)；洪、枯水位最大變幅4.5m。該處湖面寬闊，正常水位下水深達(dá)到10～15m。根據(jù)駱馬湖取水口水下地形情況和類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2]，較合適的取水頭部型式：箱式取水頭部和樁架式取水頭部。

2.2.1 箱式取水頭部

箱式取水頭部箱體為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，其側(cè)面進(jìn)水窗口安裝攔污格柵，引水管深入箱體內(nèi)取水。規(guī)模較大的箱式取水頭部箱體宜采用預(yù)制構(gòu)件，浮運(yùn)至取水點(diǎn)，在水下進(jìn)行拼裝就位；采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。一般箱體嵌入湖底，局部挖深3m左右，與灌注樁連接。適用于取水量較大、取水點(diǎn)水深較淺、河床（或湖泊、水庫(kù)）較穩(wěn)定等情況。

2.2.2 樁架式取水頭部

采用鋼管樁或預(yù)制鋼筋混凝土管樁，將樁打入河床（或湖泊、水庫(kù)），在框架周圍采用格柵和鋼板加以圍護(hù)，防止漂浮物進(jìn)入。適用于河床（或湖泊、水庫(kù)）較為穩(wěn)定、河床（或湖泊、水庫(kù)）地質(zhì)宜打樁、枯水位水深較深和水位變化較大等情況。

2.2.3 取水頭部形式比較

取水頭部形式比較見(jiàn)下表：

表1 取水頭部型式比較

根據(jù)取水點(diǎn)位置和水下地形，擬建取水頭部所處位置距離大堤約2.1km，在枯水位情況下取水點(diǎn)處水深約11m。

根據(jù)引水管進(jìn)水口淹沒(méi)水深、懸空高度等應(yīng)滿足其有關(guān)水力條件的設(shè)計(jì)要求，采用樁架式取水頭部均能滿足相關(guān)要求；且樁架式取水頭部更利于取得中層以上的優(yōu)質(zhì)湖水。而箱式取水頭部施工難度相對(duì)較大，由于水深較深，如若取中上層優(yōu)質(zhì)湖水，箱體高度大于10m，增加了箱體制作、安裝就位的施工難度。

針對(duì)本工程取水點(diǎn)水深較深，湖床較為穩(wěn)定等特點(diǎn)，考慮到樁架式取水頭部有利于取得中上層優(yōu)質(zhì)湖水、施工難度相對(duì)容易，而且投資也較低，推薦采用樁架式取水頭部。

2.3 管線穿中運(yùn)河

中運(yùn)河河寬約1500m，為二級(jí)航道，有大部分區(qū)域是采砂區(qū)，局部有采空區(qū)，采砂深度一般在湖底80m左右，在湖底還遺留有斷裂的采砂管、鐵錨等障礙物。需對(duì)過(guò)河路線兩側(cè)30m范圍進(jìn)行水下物探，探明障礙物和采空區(qū)分布情況。

根據(jù)原水輸水管線布置，2根DN2000原水輸水管需要穿越中運(yùn)河。采用何種方式穿越中運(yùn)河，涉及到工程投資的經(jīng)濟(jì)性、管道鋪設(shè)的可操作性和長(zhǎng)期正常運(yùn)行的安全性。管線穿越中運(yùn)河主要由以下幾種施工方式：

2.3.1 方案一：頂管施工

管道采用鋼管，管徑為DN2000，共2 根，由于河內(nèi)采砂船密布，河床底因常年采砂形成大面積采砂區(qū)，整個(gè)場(chǎng)地條件非常復(fù)雜；頂管埋深應(yīng)滿足河床最大沖刷深度、通航船只拋錨深度的要求，頂管總長(zhǎng)度約1955m，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的頂管技術(shù)，可以滿足要求。

優(yōu)點(diǎn)：1、水下施工工程量??；2、頂管施工技術(shù)成熟，質(zhì)量有保證；3、管道埋設(shè)在河床內(nèi)，不受河道航運(yùn)和河流沖刷的影響；4、施工期間對(duì)河道航運(yùn)的影響最小。

缺點(diǎn)：1、管道防腐要求比較高；2、運(yùn)營(yíng)期間管道檢修維護(hù)不方便；3、河床下部因采砂造成地質(zhì)的不均勻和不確定，對(duì)管基的穩(wěn)定有很大的影響。

2.3.2 方案二：頂管+沉管施工

由于中運(yùn)河航道范圍不允許斷行，過(guò)航道和中運(yùn)河大堤部分采用頂管施工，其它部分采用沉管施工。

沉管施工之前，先將采砂形成的采空區(qū)適當(dāng)整平，然后在河床底采用機(jī)械水下開(kāi)槽，將制作好的鋼管浮運(yùn)至相應(yīng)位置，按沉管施工技術(shù)要求下沉到位，焊接牢固后在管周采用卵石混合料回填至管頂，再拋石護(hù)管?；壑苓叺暮哟驳讘?yīng)同時(shí)進(jìn)行護(hù)砌處理。

沉管施工可根據(jù)現(xiàn)有的河床地形，靈活設(shè)計(jì)管道的坡度，管道可以淺埋，一次鋪設(shè)管道較長(zhǎng)，施工周期短；由于湖底起伏較大，沉管之前需采取水下吹填的方式對(duì)湖底進(jìn)行整平處理，沉管落在吹填后的松散地基上，可靠性較低。本項(xiàng)目沉管長(zhǎng)度超過(guò)1000m，為保證管道質(zhì)量，不采用水下焊接，沉管需要一次性下沉，下沉長(zhǎng)度將會(huì)刷新國(guó)內(nèi)沉管一次性下沉記錄，施工難度相當(dāng)大。

優(yōu)點(diǎn)：1、管道施工工程量相對(duì)較小，施工工期短；2、沉管部分采用水下鋼管樁支撐，避免管道不均沉降；3、管道埋設(shè)在河床內(nèi)，不受河道航運(yùn)和河流沖刷的影響。

缺點(diǎn)：1、維護(hù)管理工作相對(duì)復(fù)雜麻煩；2、管道一次性下沉，難度較大。

2.3.3 方案三：頂管+圍堰開(kāi)槽埋管施工

過(guò)航道和中運(yùn)河大堤部分采用頂管施工，其它部分采用圍堰開(kāi)槽埋管施工。

圍堰施工時(shí)，先將采砂形成的采空區(qū)適當(dāng)整平，采用袋裝土分段圍堰，并對(duì)下部砂層作隔水處理。然后在河床底部開(kāi)槽埋管，管道鋪設(shè)完畢，管道胸腔及管頂0.8m范圍內(nèi)回填砂石混合料，其上拋石護(hù)管，管槽周邊的河床底應(yīng)同時(shí)進(jìn)行護(hù)底處理。

圍堰開(kāi)槽埋管施工均在地面上操作，地基處理、管道連接的施工質(zhì)量均可控制。但圍堰開(kāi)槽埋管施工需長(zhǎng)時(shí)間占用河道，對(duì)河面的通航會(huì)有較大的影響，需報(bào)請(qǐng)相關(guān)部門批準(zhǔn)，手續(xù)多且繁瑣，難度較大。除圍堰之外，隔水也是需要考慮的措施之一，措施費(fèi)高。圍堰施工時(shí)需考慮分段圍堰施工，圍堰的尺寸還需考慮河水水位高低的因素，因此其施工受外部制約的因素多，施工周期較長(zhǎng)。

優(yōu)點(diǎn)：1、在地面上操作，地基處理、管道連接的施工質(zhì)量均可控制；2、管道安裝在管槽里，操作方便快捷。

缺點(diǎn)：1、管道安裝施工，對(duì)航道影響最大，手續(xù)復(fù)雜，制約因素較多，影響工期；2、河床下部因采砂造成地質(zhì)的不均勻和不確定，對(duì)管基的穩(wěn)定有很大的影響。

表2 原水管穿越中運(yùn)河方案技術(shù)分析比較表

2.3.4 管線穿中運(yùn)河方式的確定

綜合比較，采用頂管+沉管施工，工程投資最低，頂管及沉管施工技術(shù)成熟，質(zhì)量有保證；沉管采用水下鋼管樁和土壤支撐，沉降小；管道埋設(shè)在河床內(nèi)，不受河道航運(yùn)和河流沖刷的影響；且施工期間對(duì)中運(yùn)河航運(yùn)無(wú)影響，相關(guān)外部手續(xù)簡(jiǎn)單，受外部制約因素少，施工工期易于保證。

結(jié)束語(yǔ)

隨著越來(lái)越多的城市實(shí)施雙水源供水，長(zhǎng)距離管道輸水工程建設(shè)也越來(lái)越多，工程建設(shè)的合理性和安全性引起各方面高度關(guān)注，掌握詳細(xì)的基礎(chǔ)資料和勘察資料，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和安全施工工藝，降低運(yùn)行成本，減少安全隱患，是非常有必要的。